Teilchenstrahlen überwachen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen

| Redakteur: Hendrik Härter

Der Large Hadron Collider ist der weltweit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger. Mithilfe von Messkarten werden die Teilchenstrahlen überwacht, die sich im 27 km langen Beschleunigerring mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Der Large Hadron Collider ist der weltweit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger. Mithilfe von Messkarten werden die Teilchenstrahlen überwacht, die sich im 27 km langen Beschleunigerring mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. (Bild: Spectrum Systementwicklung)

Die Teilchenstrahlen am CERN bewegen sich im 27 km langen Beschleunigerring mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Hier muss überprüft werden, ob die Strahlen genau abgelenkt werden. Zum Einsatz kommen handelsübliche PCI/PCIe und PXIe-Messkarten.

In den Maschinenschutzsystemen des Large Hadron Collider (LHC) am CERN arbeiten über 140 Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation. Mithilfe der Karten wird überprüft, ob die Teilchenstrahlen genau abgelenkt wurden. Dafür ist eine unglaubliche Präzision erforderlich, weil sich im 27 km langen Beschleunigerring zwei hochenergetische Teilchenstrahlen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung bewegen.

Bei mehrstündigen Durchläufen werden sie dann an vier Orten des Rings zur Kollision gebracht. Die Elementarteilchen sind so winzig, dass die Präzision für einen Zusammenstoß so groß sein muss, als würde man zwei Nadeln im Abstand von zehn Kilometern abfeuern, um sich in der Mitte exakt treffen zu lassen.

LBDS HV-Generatoren im LHC-Tunnel. Jeder blaue Computer enthält mehrere Digitizer von Spectrum Instrumentation, um den internen Strom der HV-Generatoren zu erfassen.
LBDS HV-Generatoren im LHC-Tunnel. Jeder blaue Computer enthält mehrere Digitizer von Spectrum Instrumentation, um den internen Strom der HV-Generatoren zu erfassen. (Bild: Spectrum Systementwicklung)

Die Energie der beiden Strahlen ist so hoch, dass der Large Hadron Collider im Falle eines Kontrollverlustes schweren Schaden nehmen könnte. Um die Teilchenstrahlen im Notfall oder am Ende eines Kollisionslaufs sicher ableiten zu können, muss das sogenannte LHC Beam Dumping System (LBDS) die vollständigen Strahlen einer Umrundung aus dem LHC entnehmen und zu einem etwa 700 m entfernten Absorber-Block transportieren. Nach dem Ende des Durchlaufs stellen Post Operation-Kontrollsysteme sicher, dass alle Elemente des LBDS korrekt gearbeitet haben und die Strahlen sauber extrahiert wurden.

Gepulste Magneten überprüfen

Wesentlich dabei ist, zu überprüfen, ob die schnell gepulsten Magneten, sogenannte Kicker-Magnete, die Teilchenstrahlen von den LHC-Ringen präzise in die Entnahmeröhren gelenkt haben. Dabei werden Digitizer-Karten verwendet, um die aktuellen Pulswellenformen zu erfassen und zu prüfen, ob sie die richtige Form hatten und korrekt mit dem Strahl synchronisiert waren. Beim Beenden eines Durchlaufs betragen die Strom-Impulse der Kicker-Magnete 20.000 Ampere, mit Anstiegszeiten von weniger als drei Mikrosekunden und einem Synchronisationsfehler von unter 20 Nanosekunden. Beim LBDS werden für jedes Extrahieren und Umleiten der Teilchenstrahlen fast 500 analoge Signale mithilfe von Digitizer-Karten erfasst und mehr als 150 Synchronisationssignale mit Digital I/O-Karten festgehalten.

„Wir haben unser eigenes System für die Signalerfassung und -analyse entwickelt: IPOC, Internal Post Operation Check“, erklärt Nicolas Magnin, Software-Teamleiter der Accelerator Beam Transfer Group am CERN. „Es ist mit C ++ unter Linux programmiert und enthält einen Hardware-Abstraction-Layer, der es uns ermöglicht, mit vielen Arten von Digitizer-Karten zu kommunizieren. Wir verwenden eine Vielzahl von Digitizer-Karten von Spectrum Instrumentation, um sämtliche unterschiedliche Kicker-Magneten aller CERN-Beschleuniger zu überprüfen. Mit dieser Kartenvielfalt können wir je nach Anwendung einen Bandbreitenbereich von 10 MS/s bis 500 MS/s und eine Auflösung von 8 bis 16 Bit abdecken.“

Trends erkennen, Systemstabilität überprüfen

Für die Messungen der Kickerpulsereignisse ist eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich. So erfordern die anspruchsvollsten Systeme einen Puls-zu-Puls-Reproduzierbarkeitsfehler für die Verzögerung von weniger als zehn Nanosekunden und für die Amplitude von weniger als 0,5 Prozent innerhalb eines dynamischen Bereichs von 16. Um das zu erreichen, muss die Genauigkeit der Erfassung um eine Größenordnung höher sein. Daher erfolgte über die Wahl eines M4i.4451-x8 Digitizers mit einer Auflösung von zwei Nanosekunden und einer effektiven Auflösung (ENOB) größer als 10.

Weil die Dynamik des Kicker-Stroms nicht festgelegt ist, werden die verschiedenen Eingangsbereiche der Digitizer-Karte dazu verwendet, das Signal-Rausch-Verhältnis der erfassten Wellenform zu optimieren. Fast alle Wellenformen werden zur späteren Offline-Analyse in einer Datenbank gespeichert. Außerdem werden alle Ergebnisse dieser Analyse (Verzögerung, Länge, Anstiegszeit, Abfallzeit oder Flat-Top-Amplitude) ebenfalls in der Datenbank gespeichert, um Trends zu erkennen bei der Überprüfung von Systemstabilität oder Temperaturabhängigkeit.

Mehr als 140 PC-Karten von Spectrum Instrumentation werden derzeit für Kicker-Systeme an allen CERN-Beschleunigern verwendet, auf PCI / PCIe und neuerdings auch PXIe-Plattformen.

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